토목환경공학과 특성을 고려한 공학입문설계 학습지도 사례연구
박지호 ․ 전영우 ․ 김영욱† 명지대학교 토목환경공학과
Case Study on Course Plan of Introductory Engineering Design for Students Majoring Civil and Environmental Engineering
Ji-Ho Park ․ Young-Woo Chun ․ Young-Uk Kim†
Department of Civil and Environmental Engineering, Myongji University
ABSTRACT
This study summarized the case study of a course development of introductory engineering design considering the characteristics of civil and environmental engineering. The course mainly depends on conducting the design projects. The self-developed text book for the course consists of learning and activities of the core elements for the creation and decision of ideas and two independent design projects. Especially, the design project drew from a survey of students majoring in civil and environmental engineering and is well knitted to help students obtain the potential for soft-landing at higher major courses.
Keywords: Engineering design, Civil engineering, Environmental engineering, Independent, Soft-landing
I. 서 론1)
최근에 다양하고 유용한 첨단기술로 우리들의 삶이 매우 편 리하고 윤택해졌다. 첨단기술들은 그동안 꾸준히 진행된 창의 적인 도전의식과 학제간의 팀워크로 이룬 것이라 할 수 있다.
따라서 21세기 지식기반사회를 맞이한 공학기술자들은 전공분 야의 지식 뿐만 아니라 창의적인 사고력을 배양하여 전문지식 과 아울러 독창적이고 창의적인 아이디어를 창출하여 제품을 생 산하거나 문제해결방법을 강구할 수 있는 능력을 필수요건으로 갖추어야 한다(백윤수 등, 2006). 이러한 능력의 기초는 공학과 설계에 대한 이해력, 응용공학에 대한 사회적인 책임, 복합학제 간 팀워크의 중요성, 의사소통 기술, 높은 윤리수준, 창의적이고 비판적인 사고능력, 주위환경에 대한 적용성 및 평생 학습에 대 한 호기심 등이 포함된다. 많은 대학에서 이에 대한 학습의 기 회를 제공하기 위하여 창의공학 교과목을 개발하여 개설하고 있 다(고석준, 2007). 수업 중에 앞에서 설명한 창의적 사고를 배 양할 수 있는 과제를 도출하고, 창의성 개발, 팀워크기술 습득, 의사소통기술함양, 창의적 문제해결, 공학설계개념이해 등 공학 에 대한 기초 지식 함양을 숙지할 수 있도록 운영하고 있다(전 경원, 1997). 그러나 각 학과의 특성이 고려되지 않고 획일적인
Received August 08, 2011; Revised November 18, 2011 Accepted March 26, 2012
† Corresponding Author: [email protected]
교과목의 진행은 도리어 학생들의 창의성 및 호기심 자극에 방 해가 될 수 있기 때문에 학기 중에 시행하는 여러 과제 및 프로 젝트의 내용이 매우 중요하다(최석민, 2003). 이에, 이 논문에서 는 토목환경공학과의 특성을 고려한 창의공학 중심의 강의(교과 목명; 공학입문설계)에서 독자적으로 과제와 프로젝트를 개발하 고 운영한 내용 및 결과를 정리하였다. 한 학기 동안 2개의 프 로젝트를 수행 할 수 있도록 학습지도안은 프로젝트를 통하여 아이디어 창출 및 전반에 관한 체계적인 접근법을 익힐 수 있도 록 하였다.
II. 공학인증과 공학입문 설계
공학입문설계는 1학년 학생들을 대상으로 개설된 과목으로 크 게 4단계의 학습 과정으로 구성된다. 1단계에서는 공학과 공학 자의 역할 그리고 필요한 자질, 경제성, 팀워크 등 공학 일반에 대해 배우고 2단계에서는 문제 정의, 개념 설계, 모형설계 등 공 학설계 과정에 대해서 학습한다. 3단계에서는 신뢰도, 지속 가 능한 발전, 공학윤리 등 공학도로서 설계시 고려해야 할 요소에 대해서 학습하여 공학 학문에 대한 동기부여와 공학 입문설계 능력을 배양함을 목표로 한다. 4단계에서는 창의성의 개념, 창 의적 사고과정 등을 바탕으로 도출된 기본 아이디어를 형상화하 고 설계한다. 이 과정으로 아이디어를 구현하기 위해 필요한 도 구와 구성요소들을 경험하여 향후에 접하게 될 전공과목에 대한
흥미를 유발하고 4학년 과정인 프로젝트 I, II (캡스톤 디자인) 에 필요한 기본적인 개념을 익힌다. 교과과정은 명지대학교에서 개발하여 운영중인 창의공학(2010) 교재를 중심으로 진행하였 다. 공학교육인증원에서 추천하는 공학설계프로그램에 나타나 있듯이 공학의 이해와 동기부여를 중점적으로 강의하였다. 팀으 로 수행하는 설계프로젝트(학습성과 3)에서 학생들은 이론을 응 용하여(학습성과 1) 자료를 분석하고, 실험으로(학습성과 2) 공 학문제를 인식 ․ 공식화하여 해결함으로서(학습성과 4) 공학실무 에 필요한 기술, 방법, 최신 공학 도구를 사용하여 문제를 해결 하였다(학습성과 5). 보고서작성과 회의진행 그리고 공개발표 등을 통한 의사전달능력을 배양하고(학습성과 7), 다양한 제한 조건에 따라 다양한 사고로 거시적 관점에서 공학적 해결 방안 이 끼치는 영향(학습성과 9)과 시사적인 논점(학습성과 10)에 대해서 학습할 수 있다. 따라서 공학입문설계 보고서는 학습성 과의 대부분을 평가할 수 있는 매우 중요한 평가도구의 역할을 하므로 이와 같은 내용들이 모두 포함되도록 최종 결과보고서 (두 번째의 프로젝트)에도 동일한 내용들을 포함하도록 하였다.
III. 수업 내용 및 과제 1. 개요
보다 정확한 교과목 내용 설계를 위하여 토목관련 시공회사, 설계용역사, 연구소와 공사에 근무하는 150여명의 전문가에게 설문(2010, 명지대학교)을 부탁하고 이를 통하여 공학교육, 특 히 토목공학 교육에서 중점을 두어야 할 분야와 건설분야 산업 체에서 중요하게 여기는 사원의 직무능력을 분석하였다. 이에 따르면 실험 및 해석 계획 수립능력, 조직원(팀원)으로서의 의 식, 자기의사 표현에 대한 교육과 이의 능력 배양이 제일 급선 무라는 결과를 도출하였다. 전공지식에 대하여서는 가장 나중에 언급되었다는 것이 특이한 사항이었다. 신입사원들의 능력중 가 장 떨어지는 분야도 이와 같다는 조사결과였다. 공학입문설계 교과목은 토목환경공학에 입학한 학생들이 처음(1학년 1 또는 2학기) 접하게 되는 전공교과목이다. 만약 신입생들을 대상으로 하는 교과목에서 위의 설문조사 결과를 바탕으로 한 교육과정 이 설계되어 기초적 소양이 교육된다면 수요자가 요구하는 교육 과정의 좋은 예로 자리 잡을 수 있을 것이다. 따라서 실험 및 해 석의 계획 수립능력을 문제 정의 및 아이디어 창출에서 다루며 배양하게 되고 아이디어 다듬기 및 판정 과정을 통하여 팀원으 로서의 의식 및 작업능력을 키우도록 하였다. 특히, 프로젝트라 는 이름으로 진행하는 팀 과제를 통하여 자기 의사 표현 및 계 획 수립과 실행에 이르는 일련의 과정을 거시적으로 느끼고 습 득하도록 유도하였다.
모든 과제 및 프로젝트는 한 학기 동안에 수료할 수 있는 분량으로 개발 운영하였으며, 학기당 수업내용 및 수행 내용을 Table 1에 정리하였다. 과제 및 프로젝트 수행에 필요한 모든 용품은 학과에서 지원되었고 학기 시작과 동시에 미리 준비하 였다. 학기말 성적평가기준은 미리 공지하였으며, Table 2에 정 리한 기준에 의거하여 결정하였다.
Table 1 Course contents and assignments
수업 내용 활동 과제물
과목소개, 조편성
자기소개, 팀조직, 회의 회의록 양식
팀웍 프로젝트 1
의사소통 30초 메시지 발표녹화분석
상황분석과 문제정의 문제 정의문 기술 문서
아이디어 창출 브레인스토밍 상황 해결
아이디어 다듬기와 판정 가중순위 결정법
프로젝트 2
트리즈 모순 해결
친환경설계, 공학윤리
Table 2 Policy of grading
항목 비중(%)
출석 5
과제(포트폴리오 포함) 15
프로젝트 1 & 2 30
시험 및 퀴즈 30
독서비평서 10
동료평가 10
2. 과제 및 프로젝트수행
가. 팀구성
개강 후, 한 그룹 구성원이 4명보다 많지 않도록 규정하고 그 룹을 구성하였다. 고학년이 있는 경우에 고학년으로만 구성되 지 않도록 하고, 여학생들도 가능한 한 서로 다른 그룹으로 구 성될 수 있도록 권장하였다. 그룹을 형성한 후에 각 그룹의 이 름을 결정하여 그룹이 추구하는 목적을 서로 공유하고 결속을 다질 수 있도록 유도하였다. 또한, 오리엔테이션 시간을 마련하 여 각 그룹의 구성원 및 특징 등을 자유롭게 소개할 수 있도록 하고 동시에 교과목에 대한 전반적인 내용을 설명 하였다. 다음 Table 3은 학생들의 팀명의 예시이다.
나. 30초 메시지
그룹이 구성되면 각자의 그룹 이름과 특성, 그리고 구성원을 파워포인트(ppt) 또는 기타 홍보물로 제작하여 홍보하는 시간을 마련하였다. 홍보시간은 30초로 제한하였으며, 평가에는 반영
Table 3 Various names of teams
구분 2009 2010 2011
1 나르샤 가온 고진감래
2 달리다굼 삽자루 미쳤조
3 시나브로 스프링통통 어울림조
4 씨밀레 으뜸 올림푸스
5 엄지 은가비 우공
6 쪽빛구름 작은학생회 익스트림
7 avvio 장간 Wanted
8 t.o.c 접착제 와이파이
9 w.w.w 티앤씨 파프리카
10 Think (주)한울 모래더미
하지 않았다. 그러나 홍보시간을 통해서 발표자료, 준비, 팀워 크, 창의적 생각의 연습, 발표 등 의사소통의 실질적인 실습을 경험하기 때문에 중요한 시간이다. 특히, 이 과제는 의사소통에 해당하는 단원의 학습내용을 배우기 전과 배운 후에 동일한 내 용을 발표하고 이를 비디오 촬영으로 분석한 후에 분석보고서를 제출하여 학습의 효과를 더욱 극대화하는데 있다. 또한, Fig. 1 에 나타난 예시와 같이 그룹의 전용 웹사이트를 개설하도록 유 도하여 다룰 수 있는 공학기술의 종류를 더 넓힐 수 있는 기회 를 부여하고 웹을 활용한 교수학습(김영진 2006)의 도구로 활 용하였다.
Fig. 1 Example of website
뿐만 아니라 학기 중에 시행되는 모든 종류의 회의 및 결과 를 회의록을 작성하도록 하여 포트폴리오작성에 도움을 주도록 하였다. 회의록 양식은(팀 이름, 일시, 장소, 참석자, 회의주제, 역할분담, 추후계획 등)으로 구성하도록 하였다. Fig. 2는 학기 중에 사용하였던 회의록 양식이다.
다. 프로젝트
공학입문설계는 한 학기에 두 개의 프로젝트(프로젝트 A와B) 를 진행하며, 각 프로젝트별로 별도의 포트폴리오를 제작하여 제
Fig. 2 Example of meeting document
출하도록 하였다. 프로젝트 A는 전공과 관련된 하나의 주제를 제시하고, 제시된 주제에 대하여 단순하게 학생들의 직관만을 이 용하여 진행하였다. 프로젝트 B는 수업시간에 배운 다양한 내용 (문제정의, 브레인스토밍, 해결방안 창출, 다듬기, 평가를 수행 하며 최종아이디어 선정 후 결과물 설계, 컴퓨터를 이용한 디자 인 및 제작, 사진 촬영 및 디자인과의 비교 분석까지 모든 과정 과 몇 번의 실패를 통한 원인분석력배양을 포함)을 활용하여 진 행하고 이에 대한 결과를 프로젝트 A와 비교하여 발표하였다.
또한, 매 학기마다 전공에 대한 호기심을 자극할 수 있는 프로 젝트를 발굴하여 진행하고, 자연스러운 전공교과목으로의 원활 한 안착을 유도하였다.
교과목 시행 초기에는 계란낙하 프로젝트만을 한 학기동안 시 행하여 상기 목적을 달성하고자 하였다. 그러나, 아이디어 창출 및 시행에 한계가 있고(인터넷을 통한 아이디어 도용 등) 학과 특성을 나타내지 못한다는 학생 및 강사들의 평가도 있어 이를 대폭 수정하였다. ‘토목’하면 떠오르는 단어가 무엇인가?라는 간 략한 설문 조사 결과 시멘트, 다리, 흙, 댐, 강순으로 나옴으로
이를 새로운 프로젝트 개발에 반영하였다. 시멘트와 물이라는 재료에 대하여 직접 손으로 다루어 보게 함으로써 스킨십을 통 한 전공에 대한 깊은 관심을 유도하였고 소형 다리를 직접 설계 하여 만들게 함으로써 역학에 대한 이해를 자연스럽게 인지 할 수 있도록 하였다. 첫째 프로젝트는 시멘트 배를 제작하도록 하 였다. 학기 시작함과 동시에 시행하여 순전히 직감만으로 시멘 트라는 재료의 특성과 물과 부력이라는 물리적 특성을 이해하도 록 하였다. 또한 설계와 수행에 관한 거시적인 안목이 부족한 상태에서 수행하는 프로젝트이므로 시스템화 되어 있는 설계과 정에 대한 필요성도 동시에 익히도록 유도한다. 두 번째 프로젝 트에서는 이쑤시개로 교량을 만들도록 하였는데 제작에 관한 전 과정은 수업시간에 다룬 아이디어 창출 및 판단에 이르는 일련
Fig. 3 Project A(cement boats)
Fig. 4 Racing tournament
Fig. 5 Project B(toothpick Bridges)
의 과정을 세세하게 따라서 수행하도록 하였다. 이를 통하여 추 후에 익히게 될 종합설계의 기초를 다지도록 하였으며 두 개의 프로젝트를 비교함으로써 교과목을 통해 배양된 설계의 전 과정 에 대한 기초적 능력을 확인 할 수 있도록 유도하였다.
시멘트 배 만들기는 부피를 500cm3로 제한하고, 시멘트만 사 용하여 부력과 시멘트의 특성을 프로젝트를 통해서 동시에 습득 할 수 있도록 하였다. 프로젝트 B는 30cm를 건너갈 수 있는 이 쑤시개와 실로만 이루어진 다리 만들기이다. 각각의 프로젝트 평가 항목은 창의성, 디자인, 경제성(사용재료의 적합 및 최적 화), 지지할 수 있는 하중의 크기로 구성하였다. Fig. 3은 프로 젝트 A(시멘트 배 만들기)의 결과물에 대한 예시를 정리하였으 며, Fig. 4는 시멘트 배의 부력과 항해능력을 시험하는 디자인 발표회 장면으로 학생들의 표정에서 교과목과 프로젝트 결과물 에 대한 흥미를 발견할 수 있었다. Fig. 5는 프로젝트 B(이쑤시 개 다리 만들기)의 결과물에 대한 예시를 정리하였다. Fig. 6은 프로젝트 진행 상황을 정리한 것으로, 디자인 개념부터 아이디 어 창출과 설계도, 그리고 이를 이용한 제작 등 일련의 과정을 보여주고 있으며 최종 파괴시험까지 나타내고 있다.
Fig. 6 Conducting project
3. 독서
‘나는 한 권의 책을 책꽂이에서 뽑아 읽었다. 그리고 그 책을 꽂아 놓았다. 그러니 나는 이미 조금 전의 내가 아니다’는 앙드 레 지드의 말이나(한정원, 2011) ‘당신의 두뇌가 식물이라면, 철 학 고전 독서는 물이다. 철학 고전 독서를 성실하게 한다면 오 래지 않아서 자신의 사고 체계가 변화하는 것을 몸으로 느끼게 될 것이다’(이지성, 2010)의 예처럼 사고체계에 가장 큰 영향 을 주는 인자로 독서를 들 수 있다. 독서를 통하여 지혜와 지식 을 뚜렷하게 늘려 갈 수 있다고 할 수 있다. 사소하더라도 번득 이는 아이디어의 창출과 이를 다듬어 가는 체계적 사고의 과정 을 중요하게 다루는 공학입문설계에서 이를 배양하기 위한 하나 의 방법으로 독서를 꼽을 있다는 말로 해석이 가능하다. 가시 적인 효과를 거두기 위하여서는 다양하고 충분한 양의 책읽기 가 필요하다. 그러나 이를 공학입문설계 교과목에 적용하여 한 학기의 수업 중 많은 양의 책을 읽을 수 는 없고 이가 교안의 주된 내용이 될 수 없다. 다만 몇 권의 책으로도 사고의 폭을 다소 넓힐 수 있다는 가능성만을 수강생들에게 교육할 수 있다.
따라서 단순히 책을 읽는 것으로 그치는 것이 아니라 이 교과 목에서는 일반적인 독후감 형식을 벗어난 비평서를 작성하여 이를 통하여 글쓰기 연습과 책에 대한 진지한 태도, 가슴에 담 을 수 있는 구절, 그리고 수업시간에 응용할 수 있는 내용을 발 췌하게 함으로써 사고의 체계를 단단히 하여 교육효과의 극대 화를 꾀하고 있다.
2007년 통계청 자료에서 의하면 성인의 평균독서량은 1권/월 이며 책을 읽지 않는 사람의 비율이 전체의 24%에 해당한다.
또한, 주말을 보내는 방법으로 TV와 인터넷, 핸드폰 등에 4시 간을 투자하지만 신문읽기를 포함한 책 읽기에는 8분밖에 투자 를 하지 않는 것으로 나타났으며. 대학생을 대상으로 한다면 문 제는 더 심각해질 것이다. 따라서, 공학입문 설계에서는 수업시 간을 따로 정하여 독서의 기회를 갖도록 유도하고 지도교수도 적극 참여하여 한 학기에 적어도 3권 이상 읽을 수 있도록 하였 다. 또한, 독서 후에 독서 평가서를 제출하도록 하여 사후관리를 하고 최종 성적 평가에 반영하였다.
IV. 결 론
이 연구에서는 학과특성에 상응하는 창의공학 교과목 개발 및 운영의 사례연구에 관하여 정리하여 제안하였으며, 자체 집필한 교재를 중심으로 학과의 특성(토목환경공학과)에 맞는 프로젝 트를 발굴하고 적용하여 전체 교과목 교안을 구성하였다. 아이 디어 창출부터 판정까지의 과정에 필요한 요소들의 학습과 각 단원에 적합한 다양한 실습활동, 그리고 2개의 프로젝트를 수
행하는 것으로 구성되어 있다. 특히, 2개의 독립된 프로젝트는 토목환경공학과 학생들을 대상으로 설문조사결과를 바탕으로 진행하였으며, 프로젝트를 진행함으로써 전공교과목의 기초실력 을 동시에 배양할 수 있도록 하였다.
참고문헌
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8. 최석민(2003). 창의성 교육의 접근방식탐색, 교육철학, 23: 315- 331.
9. 한정원(2011). 지식인의 서재, 행성:잎새
박지호 (Park, Ji-Ho)
2004년: 명지대학교 토목환경공학과 (공학학사) 2006년: 동 대학원 토목환경공학과 공학석사 2011년: 동 대학원 토목환경공학과 공학박사
2011년~현재: 동 대학교 토목고등설계교육원 박사 후 연구원
관심분야: 공학인증, 공학프로그래밍 Phone: 010-4003-5497
Fax: 031-336-9705 E-mail: [email protected]
전영우 (Chun, Young-Woo)
2010년: 명지대학교 토목환경공학과 공학학사 2010년~현재: 동 대학원 토목환경공학과 석사과정 관심분야: 공학인증, 공학프로그래밍
Phone: 010-9780-5169 Fax: 031-336-9705 E-mail: [email protected]
김영욱 (Kim, Young-Uk)
1989년: 고려대학교 토목공학과 공학학사 1991년: 동 대학원 토목공학과 공학석사
2000년: 펜실베니아 주립대학교 토목공학과 공학박사 2001년~현재: 명지대학교 토목환경공학과 교수 관심분야: 공학인증, 공학프로그래밍 Phone: 010-3153-6417
Fax: 031-336-9705 E-mail: [email protected]
